帶破損安全層鋼筋混凝土框架結構抗震性能研究

柏 潔 廖光明 李輝進

(四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065)

1 概述

結構的抗震設計方法，大體有兩種類型。一種是傳統的結構抗震設計方法，即加強建筑物的強度和剛度，保證結構自身具有能夠滿足抗震要求的“強度抵抗型”設計；另一種是增加建筑物塑性變形性能來吸收和耗散地震輸入能量的“延性效果設計”，比如隔震技術、耗能減震技術、吸振減震技術等。傳統的設計方法是一種消極的抗震方式，結構處于被動抵御的狀態。因此最新的抗震理論研究都趨向于避免結構和地震力硬碰硬，抑制地震能量向結構本體的傳播從而保證結構的完整性，隔震體系已經在設計領域成熟運用，各種地震阻尼器技術相應地產生并投入實踐。但在相對偏遠和落后的地方想要普及隔震和減振技術顯然是不太現實的，因此本文希望在不增加建筑造價的情況下通過改變結構本身的一些構造來實現建筑物的“延性效果設計”,具體做法是引用橋梁工程中雙薄壁墩[1]的概念，在建筑的地下室或底層設置雙薄壁柱，保證其豎向承載力不降低的條件下把單柱改為雙柱，通過減小其線剛度，將遭受大震作用時產生的水平變形集中于該層，使承擔大量地震能量的吸收和耗散作用直至破損，極大地減少上部結構所受破壞，我們把這一層稱為破損安全層[2]。

2 雙薄壁柱理論分析

假設方形柱截面寬度為B，在面積變化不大的情況下把方形柱分割為兩個相同的小柱，小柱截面寬度為nB，高度為mB，兩小柱中間分開，留有微小間隙Δ，如圖1所示。

分割的目的是為了減小柱的線剛度，因此在分割后相比原來的單根柱在其他屬性上不宜差別過大，假設有：

可以看出，當分割后的小柱邊長約為原來的0.707倍時，雙薄壁柱兩個方向上的慣性矩均減小為原來的1/2。

3 模擬實例

以一四層學生宿舍框架為例，在SAP2000中建立兩種框架模型如圖2，圖3所示。

3.1 側移剛度對比

在x方向上，對于方形單柱：

對于分割后的雙薄壁柱：

側移剛度比：

很顯然，在截面面積相同的情況下，分割后的雙柱的側移剛度減小為原來的1/2，可以將其設置于破損層。

如圖4所示，通常情況下我們希望框架結構的破壞機制如圖4a)所示，但在2008年汶川地震中主體保存下來的房屋情況來看，相當一部分是因為底層柱被剪斷發生如圖4b)所示破壞，減小了地震力對上部結構的沖擊，使得上部結構得以保持整體而幸存。因此，我們可以考慮在多層框架底層進行“弱柱”設計，通過減小底層柱的側移剛度，調整上層和底層柱的線剛度比，使結構底層在罕遇地震下形成柱鉸機制以吸收大部分地震能量但又不至于倒塌，繼而保護上部結構的完整性。

3.2 多遇地震下結構反應

在SAP2000中分別建立模型并運行分析后，得到了底層為普通柱和底層為雙薄壁柱的分析結果，通過比較二者在相同工況下的不同反應，來研究二者的結構性能[3,4]。

3.2.1監測點層間位移

根據兩種模型不同模態下的運動反應，選取一平動反應較大的Z軸線上每層節點作為監測位移點，比較兩種模型的層間位移。

圖5和圖6分別給出了兩種模型在X方向上的層間位移值和Y方向上的層間位移角，可以看出，在地震作用下原始模型的最大層間位移總是發生在第二層，相當于在第二層的位置有一個突變，形成了薄弱層；而模型2的最大層間位移發生在底層，也即設置雙薄壁柱這一層。雙薄壁柱這一層的最大層間位移超過了原始模型最大層間位移值，滿足我們對破損層產生較大位移的預期。結果表明，當把原始方形柱替換為雙薄壁柱后，底層線剛度的降低使其成為了薄弱層，層間位移增大。在其余樓層層間位移基本一致的情況下，把第二層的位移量轉移一部分到底層，使得結構不同樓層的層間位移值更加均勻。從圖6也可以看出兩種模型除了底層層間位移角相差較大之外，其他樓層的位移角基本保持了一致，且多遇地震下雙柱模型的最大層間位移角為1/830，小于規范規定的1/550，滿足小震作用下規范規定的彈性層間位移角限值要求。罕遇地震雙柱模型的最大層間位移角為1/80，同樣滿足框架結構大震作用下規范規定的1/50的要求。

3.2.2靜力彈塑性分析

用SAP2000對兩種模型進行靜力彈塑性分析[5-8]，通過觀察兩種模型塑性鉸的發展情況來預測結構在地震作用下的反應。圖7和圖8給出了兩種模型在倒三角加載和模態加載模式下最終塑性鉸的發展情況。

可以看到，在兩個方向分別加載時，模型1的塑性鉸主要都發生在第二層和第三層，且塑性鉸先發生于梁端。而模型2的塑性鉸則比較集中在底層也就是雙薄壁柱層，且顏色發展較深，表明結構底層柱率先出現塑性鉸，且隨著塑性鉸的發展，雙薄壁柱上的塑性鉸首先屈服直到破壞，該模型的上部主體結構呈現出了類似剛體平移的反應。在同等地震力作用下，雙薄壁柱較原始方柱會發生更大的側移從而率先出現塑性鉸，利用由雙柱形成的薄弱層來耗散大量的地震能量，使得地震力在雙薄壁柱這一層便得到大量的吸收，減小對上部結構的沖擊，且由于雙薄壁柱的兩根柱子塑性鉸發展不一定同步，當底層局部的其中一根小柱無法再承載時，還可以在震后選擇換掉已經破壞的小柱，實現薄弱層的修復。

圖9和圖10為兩種模型分別在X方向和Y方向層間位移與基底剪力的關系曲線。可以發現，前期基底剪力不大時兩種模型層間位移的增長斜率基本保持不變，表明前期在基底剪力作用下二者均保持彈性，隨著基底剪力的不斷增大，二者的斜率逐漸增大，表明結構逐漸進入彈塑性狀態。其中模型1的各層層間位移基本呈現同步變化，增長斜率具有一致性，且模型1的第二層層間位移發展最快。模型2的底層也就是破損安全層的層間位移值增長最快，表明隨著基底剪力的不斷增大，底層將會率先達到層

間位移角限值而破壞。當基底剪力達到約10 000 kN時，破損層層間位移值斜率急劇增大，較小的基底剪力增量便可引起較大的層間位移，表明此時破損層剛度已經退化甚至破壞，對應10 000 kN的層間位移角約為1/66，同樣滿足規范規定的1/50的要求。

4 結語

將橋梁工程中雙薄壁墩的概念引入到房屋結構中，衍生出破損安全層和雙薄壁柱的概念。通過本次模擬可以看到，當把普通柱用雙薄壁柱替代后，兩種模型均能滿足設計預期，即在遭遇多遇地震作用時能達到一般抗震要求。而在遭受罕遇地震作用時，模型1的破壞形態為各樓層多根梁柱均出現塑性鉸直至鉸失效破壞，模型2則是底層雙薄壁柱率先出鉸直至破壞而其余構件保持基本完好的局部破壞形態。可以認為，由于破損層的存在，在結構遭遇強震作用時，破損層在破壞過程中耗散了大量地震能量，有效避免了上部主體結構發生破壞，體現出了較好的抗震性能。但是也需指出，由于破損層在地震作用下屬于薄弱層，因此實際工程設計時不建議將其納入生活使用范圍，而是可以利用其特點將其作為地下室或者半地下室使用。本文僅對雙薄壁柱和破損層概念作了初期的模擬探討，新的抗震模型的提出，還需要對細節進行深入的研究。

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[2] 王星星,廖光明,施秀虎,等.框架剪力墻結構側向加載模式下的Pushover分析[J].山西建筑,2017,43(5):55-58.

[3] 王星星，廖光明.底層隔震與設置破損薄弱層的抗震性能分析[J]．建筑結構，2016(46)：349-353.

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